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여기에서 알기쉬운 개념의 단상과 삼상 전기를 설명하고자 한다.
삼상 전기에 대한 설명을 하기 전에 단상 전기를 보다 정확히 설명하고자 한다.
보통 단상 전기의 두가닥의 전선을 "한 선으로 전류가 흘러가고 다른 한 선으로 전류가 흘러 나온다"라고 설명을 하기 때문에 삼상을 이해하는 데 어려움이 있다.
단상 전기를 다시 설명하자면;
"전기에너지를 공급하기 위한 두가닥의 전선은 최소한의 조건으로 전기적 위치 에너지를 이 두가닥의 전선에 실어 보내는 방식"
이며 가정용 단상 전기는 이 두가닥으로 공급된 전기 에너지를 전등 또는 가전 제품에 연결하여 사용하는 것이다.
같은 개념으로 삼상 전기는;
"전기적 위치 에너지를 위상차가 다른 3 가닥(또는 4 가닥)의 전선으로 전기 에너지를 공급하는 방식"
으로 표현할 수 있다.
조금더 학술적으로 단상과 삼상 교류 전기의 차이를 다음과 같이 설명한다.
전력 효율의 비교
단상은 두 가닥의 전선으로 공급된다.. 그러나 3상은 기본적으로 세 가닥의 전선으로 공급된다. 즉 세가닥 이란 두 가닥의 전선에 50%의 할증을 한 것이다.
다음 식을 보자,
단상 전력의 공식: P2 = V x I x cosφ
삼상 전력의 공식: P3 = √3 x V x I x cosφ
여기서 V = 전압, I = 전류, cosφ = 역률
단상과 마찬가지로 3상 전력의 공식은 전압과 전류를 곱한 값에 역율(Power Factor, 코사인 파이로 읽는다, 전압과 전류의 위상차의 Cosine 값)을 곱한 것으로 구한다. 그러나 제일 앞에 붙은 √3에 주목하자. √3은 근사값으로 1.73에 해당한다.
단상과 삼상 회로가 동일한 전압, 전류의 경우 삼상은 50%의 전선 할증으로 1.73배 즉 73%의 전력이 증가하였으므로 전선 수의 증가 분 50%를 빼고도 23%의 전력이 추가로 증가 되었다.
이것이 바로 단상과 삼상의 효율의 차이를 증명하는 것이다.
3상은 단상보다 전력 효율이 높다. 그러므로 대 전력을 필요로 하는 공장 또는 대형 상업 시설 등에 적합하다.
삼상 교류 전기는 어떻게 만들어 지는가?
발전소에서 만들어 지는 전기는 삼상이다.삼상을 쉽게 이해하기 위하여 이렇게 생각하자. 3 뭉치의 코일을 어떤 축을 중심으로 등 간격으로 배치한다. 즉 120도 간격이 될 것이다. 그 축의 중심에 막대자석을 놓고 돌린다고 가정할 때 1번 코일 하나만 생각하자.
자석의 N극이 1번 코일에 접근함에 따라 전압(플러스 전압이라고 가정하자)이 서서히 증가하여 코일의 중심에 올 때 1번 코일에 최고의 전압이 유기 될 것이며 자석이 중심에서 멀어지면 유기되는 전압이 점점 작아질 것이며 자석과 코일의 각도가 90도가 되는 지점에서 유기 전압은 0 이 되고 S극이 서서히 다가옴에 따라 마이너스 전압이 서서히 증가하여 최고점에 이르렀다가 서서히 감소할 것이다.
2번 및 3번 코일을 동시에 고려하면 모든 코일에서 발생하는 전압은 동일한 형상으로 그리며 시간적 간격(120도)만 다르게 된다.
아래의 그림은 시간에 따른(가로축) 각 상(적, 청, 흑) 전압의 변화(세로 축)를 그린 것이다.
이것이 간단히 설명한 삼상 교류 발전의 원리이다.
이를 정리하면
1. 각 코일에 유기되는 전압의 변화는 Sine 곡선을 그린다.
2. 각 코일에 발생되는 최고 전압은 각기 120도의 시간차가 있고 자석의 회전 방향에 따라 코일에 유기 되는 전압은 순서가 있다(보통 회전 방향에 따라 각 상을 순서에 따라 A, B, C 또는 R, S, T상 이라고 칭한다). 이것을 상회전 이라고 한다.
삼상 4선식은 무었인가?
저압을 만드는 변압기의 2차측을 결선하는 방식에는 Y 결선 방식과 Δ(Delta 라고 읽는다) 결선 방식이 있다.
즉, 세그룹의 코일에서 각각 하나의 단자를 인출하고 나머지 3선을 연결하는 방식 중에 한데 묶거나(Y 결선) 다른 코일의 반대측 단자에 연결하는(Delta 결선) 방식이 있다.
Y 결선 방식에서 나머지를 모두 연결한 지점을 중성점(흔히 "N 상" 이라고 말하나 정확히 말해서 Phase를 의미하는 상은 아니므로 중성점으로 불러야 한다) 이라고 하는 데 이 연결 부분을 동시에 공급하는 경우 삼상 4선식이라고 한다.
보통 공장이나 상업 시설 등에 적용되는 방식으로서 대 전력을 사용할 수 있는 3상 380볼트 또는 중성점과 각 상을 연결하여 일반적인 단상 220볼트를 얻을 수 있는 우리나라의 표준 저압 배전 방식 중의 하나이다.
Delta 결선과 중성점이 있는 Y 결선
단상이란?
간단히 말해서 두 가닥의 선으로 공급되는 전기는 단상이다.
일반적으로 공장 또는 대형 영업장 등에 공급되는 3상 4선식 전력 방식에서 단상(220 볼트)은 삼상의 세가닥 중 한가닥과 중성점을 연결하여 얻고 있다. 삼상의 세 가닥 중 두 가닥을 연결하면 단상 380 볼트가 되나 실제로 이러한 입력을 필요로 하는 장치는 거의 없다.
단상 삼선식은?
세 가닥의 선으로 공급되는 단상을 말한다.
가정용 전압을 220볼트로 승압할 때 한시적으로 사용되었으며 지금도 지역에 따라 사용되는 곳이 있다.
변압기의 2차측 권선의 중간 탭을 대지에 접지 시킨 중성선(0 볼트)과 쉽게 표현하자면 +110 볼트 선로및 -110 볼트 선로를 동시에 공급하여 110 볼트 또는 220 볼트를 쉽게 선택하여 사용할 수 있도록 한 방식이다.
세가닥으로 전기가 공급되나 세가닥을 동시에 연결하여 사용하지는 않고 두가닥만 (110 또는 220 볼트) 사용하므로 단상이다.
내 블로그의 다른 게시물 중 미국의 배전방식 을 참고하기 바랍니다.
단상 3선식의 결선도(변압기의 2차 측)
